Aula 03: Corrente Contínua, Densidade de Corrente, Resistência, Lei de Ohm e Circuitos CC
Visão Geral & Objetivos Pedagógicos
Esta aula estabelece a transição formal da Eletrostática para a Eletrodinâmica Estacionária. Analisamos o movimento ordenado de portadores de carga em condutores ôhmicos a partir do modelo microscópico de Drude, deduzimos o vetor densidade de corrente e a forma pontual da Lei de Ohm (). A partir de integrais de linha e superfície dos campos elétricos e densidades de fluxo, deduzimos a resistência macroscópica em geometrias axiais, radiais e esféricas. Por fim, exploramos a força eletromotriz (), o balanço energético via Efeito Joule, o Teorema da Máxima Transferência de Potência e a fundamentação eletromagnética das Leis de Kirchhoff.
1. Mapa Conceitual da Eletrodinâmica Estacionária
O diagrama técnico abaixo resume a hierarquia entre os postulados microscópicos de transporte, a resistência geométrica distribuída, o balanço de potência em geradores reais e as leis circuitais de conservação.
2. Fundamentos Microscópicos da Condução: Modelo de Drude
Em um condutor metálico isolado e em equilíbrio eletrostático, os elétrons de condução movem-se com velocidades térmicas da ordem de em trajetórias caóticas e isotrópicas. A velocidade vetorial média de translação é rigorosamente nula ().
Quando um campo elétrico interno é sustentado por uma diferença de potencial externa, os elétrons livres (de massa e carga ) experimentam uma força aceleradora . Essa aceleração compete com colisões inelásticas sucessivas contra a rede cristalina de íons positivos da matriz metálica.
2.1 Dedução da Velocidade de Deriva e do Vetor Densidade de Corrente
Seja o tempo médio de colisão livre (tempo médio entre dois choques sucessivos de um elétron com a rede cristalina). Entre duas colisões, a aceleração média do portador é:
Imediatamente após uma colisão, o choque aleatório reinicia isotropicamente a velocidade térmica. Portanto, a velocidade média de deriva (ou velocidade de arraste) adquirida pelos elétrons no regime estacionário é dada por:
Onde é a mobilidade eletrônica do material condutor ().
Considere agora um condutor com densidade volumétrica de portadores livres por unidade de volume (). Em um intervalo infinitesimal de tempo , todos os portadores contidos no volume oblíquo atravessam um elemento diferencial de área orientada .
A carga diferencial total que cruza essa área é:
Definimos a corrente elétrica escalar como a taxa temporal de transporte de carga líquida:
Por definição vetorial, o vetor densidade de corrente () é o fluxo de carga por unidade de área perpendicular:
Substituindo a expressão microscópica da velocidade de deriva para elétrons com carga :
Definindo a condutividade elétrica microscópica ( ou ):
Esta é a Forma Microscópica (ou Diferencial) da Lei de Ohm. A resistividade elétrica () é definida como o inverso multiplicativo da condutividade:
Escalas de Grandeza no Cobre Eletrolítico
No cobre recozido (), ao circular uma densidade de corrente industrial típica de (): Os elétrons demoram mais de uma hora para percorrer 1 metro de fio. O sinal elétrico e a transferência de potência, contudo, propagam-se via vetor de Poynting pelo campo eletromagnético externo com a velocidade da luz no meio circundante ().
3. A Equação da Continuidade e a Eletrodinâmica Estacionária
A conservação universal da carga elétrica estabelece que a taxa de variação da carga líquida contida no interior de um volume arbitrário fechado delimitado pela superfície gaussiana fechada deve ser rigorosamente igual ao fluxo líquido de corrente que cruza a fronteira para fora:
Aplicando o Teorema da Divergência de Gauss ao fluxo do vetor densidade de corrente:
Igualando os integrandos para um volume infinitesimal arbitrário:
Esta é a Equação da Continuidade, um postulado fundamental do eletromagnetismo.
3.1 Regime Permanente Estacionário (Circuitos CC)
Em circuitos de corrente contínua estabilizada, a densidade volumétrica de cargas em qualquer ponto geométrico não varia com o tempo:
O vetor densidade de corrente torna-se um campo puramente solenoidal (divergência nula). As linhas de corrente formam trajetórias contínuas e fechadas sem acúmulo de carga, fundamentando a Primeira Lei de Kirchhoff em escala infinitesimal.
4. Dedução da Resistência Elétrica e Integração em Geometrias Arbitrárias
A resistência elétrica macroscópica de um corpo condutor conectado a dois terminais equipotenciais e com diferença de potencial e corrente total conduzida é definida por:
4.1 Fio Condutor Cilíndrico Retilíneo Uniforme
Para um fio cilíndrico reto de comprimento , seção transversal constante e condutividade homogênea :
- O campo elétrico é paralelo ao eixo axial: .
- A densidade de corrente é uniforme: .
Substituindo diretamente:
Esta é a Segunda Lei de Ohm clássica.
4.2 Resistor Cilíndrico Oco com Condução Radial (Isolação de Cabo Coaxial)
Considere um cilindro oco de comprimento e resistividade homogênea , delimitado por um raio interno e raio externo . Aplica-se uma tensão entre a casca interna e a casca externa, estabelecendo uma corrente radial .
A área de condução perpendicular à corrente na coordenada radial é a área lateral do cilindro:
Um elemento diferencial de resistência entre os raios e tem comprimento :
Integrando da superfície interna até a externa :
Relação de Dualidade Eletrostática-Eletrodinâmica
Observe que a capacitância de um cabo coaxial de mesmas dimensões é . Multiplicando a resistência de fuga pela capacitância do mesmo dielétrico condutor: Essa constante de relaxação dielétrica independe da geometria!
4.3 Resistor Esférico Oco com Condução Radial (Eletrodo de Aterramento)
Para duas cascas esféricas concêntricas de raios e () preenchidas com material de resistividade : A área da casca à distância radial é . O diferencial de resistência radial é:
Integrando de até :
Quando o raio externo tende ao infinito (), obtemos a resistência de dispersão de um eletrodo esférico isolado no solo:
Para um hemisfério enterrado no plano do solo (onde o ângulo sólido é esterradianos):
4.4 Coeficiente Térmico de Resistividade
A resistividade elétrica varia com a temperatura devido ao aumento da agitação térmica dos átomos da rede cristalina, reduzindo o tempo livre médio de colisão . Para variações moderadas de temperatura:
Onde:
- é a resistividade na temperatura de referência (geralmente ).
- é o coeficiente térmico de temperatura ( ou ).
- Para metais nobres e ligas condutoras (cobre, alumínio): (PTC — a resistência cresce com o calor).
- Para semicondutores intrínsecos e termistores NTC: (o calor ioniza novos pares elétron-lacuna, aumentando exponencialmente).
5. Força Eletromotriz, Baterias Reais e Potência
Um campo puramente eletrostático é conservativo: sua integral de linha ao longo de qualquer percurso fechado é identicamente nula (). Consequentemente, cargas elétricas em um circuito fechado não poderiam manter uma circulação contínua alimentadas apenas por forças eletrostáticas; a energia dissipada por atrito colisional nos resistores cessaria o fluxo rapidamente.
Para manter uma corrente permanente , é obrigatória a existência de um dispositivo capaz de realizar trabalho contra as forças eletrostáticas, bombeando cargas do potencial mais baixo para o mais alto: a fonte de força eletromotriz ().
5.1 Definição Rigorosa de Força Eletromotriz ()
No interior da bateria ou gerador químico, atua um campo não conservativo (de natureza química, térmica ou eletromecânica). A é definida como o trabalho por unidade de carga realizado por essas forças não eletrostáticas em uma volta completa pelo circuito fechado:
5.2 Modelo Circuital do Gerador Real
Uma fonte real possui uma resistência interna distribuída , advinda da resistência dos eletrólitos e contatos internos. A tensão terminal disponível nos bornes (positivo) e (negativo) ao fornecer corrente para uma carga externa é:
- Tensão de Circuito Aberto (): .
- Corrente de Curto-Circuito (): .
5.3 Balanço Energético e Efeito Joule
Multiplicando a equação do gerador pela corrente do circuito :
- : Taxa de conversão de energia química em elétrica no gerador.
- : Taxa de dissipação térmica interna por Efeito Joule.
- : Potência elétrica efetiva entregue ao circuito de carga externo.
O rendimento elétrico do gerador é:
5.4 Dedução do Teorema da Máxima Transferência de Potência
Considere uma carga puramente resistiva conectada a um gerador real de fem e resistência interna .
A corrente circulante é . A potência dissipada na carga é:
Para encontrar o valor de que maximiza a potência útil fornecida, derivamos em relação a e igualamos a zero:
Dividindo por :
Substituindo a condição na equação da potência:
Rendimento na Condição de Máxima Transferência
Quando , o rendimento do gerador é de exatamente: Metade da energia produzida é perdida na resistência interna da fonte. Este regime é adotado em telecomunicações e processamento de sinais para casamento de impedâncias (máxima transmissão de sinal), mas é rigidamente evitado em sistemas de potência de alta energia, onde se busca rendimentos superiores a 95% ().
6. As Leis de Kirchhoff e Topologia Circuital
As equações circuitais de Gustav Kirchhoff (1845) constituem aproximações concentradas (lumped element model) das equações diferenciais de Maxwell para frequências onde o comprimento de onda do campo eletromagnético é muito maior que as dimensões geométricas do circuito ().
6.1 Primeira Regra de Kirchhoff: Lei dos Nós (LKC)
Integre a equação da continuidade no regime estacionário () sobre uma superfície fechada que envolve um nó circuital de volume infinitesimal :
Como a corrente que atravessa cada condutor conectado ao nó é dada por , temos:
Significado Físico: Conservação estrita da carga elétrica. Em regime estacionário, um nó circuital não acumula carga líquida.
6.2 Segunda Regra de Kirchhoff: Lei das Malhas (LKT)
No regime eletrostático ou estacionário, a taxa temporal de variação do fluxo magnético é nula (). Pela Lei de Faraday-Maxwell:
Integrando ao longo de uma curva fechada orientada (uma malha do circuito):
Separando o campo elétrico resultante em parcelas dissipativas (resistores) e fontes de fem:
Significado Físico: Conservação da energia eletrostática. O potencial elétrico é uma função unívoca de ponto; o trabalho realizado para deslocar uma carga de teste ao longo de um caminho fechado retornando ao ponto de partida é rigorosamente nulo.
7. Exercícios Oficiais Resolvidos Passo a Passo
Questão 1 (Mão na Massa Oficial — Condução e Resistor Cilíndrico Radial)
Enunciado dos Cadernos Oficiais: Considere um cilindro de comprimento , constituído de material condutor com resistividade homogênea constante , oco, com raio interno e raio externo . Se uma diferença de potencial elétrico for estabelecida entre as cascas interna e externa, uma corrente elétrica fluirá radialmente.
- Determine a expressão analítica da resistência elétrica desse resistor cilíndrico oco.
- Calcule o valor numérico exato da resistência elétrica .
- Se aplicarmos uma ddp , determine a densidade de corrente em função da distância radial .
Resolução Passo a Passo:
-
Dedução Geométrica: A corrente flui radialmente, cruzando áreas concêntricas de raio dadas por . O elemento de resistência é: Integrando de até :
-
Cálculo Numérico: Dados:
-
Cálculo do Campo e Densidade de Corrente: A corrente total que flui radialmente sob é: A densidade de corrente à distância é: Note que a densidade decai hiperbolicamente com , respeitando a conservação do fluxo de corrente total.
Questão 2 (Mão na Massa Oficial — Análise de Circuito CC com Múltiplas Malhas e Potência)
Enunciado dos Cadernos Oficiais: No circuito CC resistivo de duas malhas ilustrado, temos duas baterias com e conectadas a três resistores: , no ramo central comum, e . Determine:
- As correntes , e em cada ramo.
- A potência individual gerada por cada bateria.
- A potência dissipada no resistor central de .
Resolução Passo a Passo:
-
Aplicação das Leis de Kirchhoff:
- Nó Superior:
- Malha Esquerda (sentido horário):
- Malha Direita (sentido anti-horário):
-
Resolução do Sistema Linear: Subtraindo a Equação II da Equação I:
Substituindo na Equação II:
A corrente total no ramo comum é:
-
Cálculo das Potências:
- Bateria 1:
- Bateria 2:
- Potência Total Gerada:
- Potência Dissipada em ():
- Verificação das Perdas em e : O Teorema de Tellegen () é estritamente satisfeito!
Questão 3 (Concurso Público — Petrobras / Engenharia Elétrica)
Enunciado: Uma bateria de acumuladores possui uma força eletromotriz de e uma resistência interna não nula . Ao conectar aos seus terminais um resistor de carga , a tensão medida nos bornes cai para .
- Determine a resistência interna da bateria.
- Calcule o valor da corrente de curto-circuito .
- Para qual valor de resistência de carga conectada a esta bateria a potência transferida será máxima, e qual é o valor dessa potência máxima?
Resolução Passo a Passo:
-
Determinação da Resistência Interna : Com a carga e tensão , a corrente do circuito é: Pela equação do gerador real:
-
Corrente de Curto-Circuito ():
-
Máxima Transferência de Potência: Pelo Teorema da Máxima Transferência de Potência: A potência máxima dissipada na carga sob essa condição é:
Questão 4 (Concurso Público — CESPE / CEBRASPE — Perito Engenheiro Eletricista)
Enunciado: Em relação às grandezas de condução elétrica, julgue o item subsequente: “Em um meio condutor ôhmico, homogêneo e isotrópico de condutividade , a equação diferencial que rege o potencial eletrostático em uma região livre de fontes de corrente sob regime permanente de corrente contínua é a Equação de Laplace .”
Resolução e Justificativa Física:
Item CORRETO. Demonstração: Pela Lei de Ohm microscópica em meio isotrópico e homogêneo: No regime estacionário de corrente contínua, a equação da continuidade impõe: Sendo o meio homogêneo, é uma constante escalar escalar que pode sair do operador diferencial: Sabendo que no regime eletrostático/estacionário , substituímos: Portanto, a distribuição de potencial elétrico em condutores ôhmicos homogêneos em regime contínuo satisfaz a Equação de Laplace.
8. Resumo Estruturado & Fórmulas de Bolso
| Grandeza / Relação | Expressão Matemática | Unidade (SI) | Significado Físico / Aplicação |
|---|---|---|---|
| Vetor Densidade de Corrente | Fluxo microscópico de cargas por unidade de área. | ||
| Lei de Ohm Diferencial | Resposta linear dos materiais condutores ao campo. | ||
| Equação da Continuidade | Conservação universal da carga elétrica. | ||
| Regime Permanente CC | — | Divergência nula do campo de fluxo estacionário. | |
| Resistência Linear | Fio cilíndrico reto uniforme. | ||
| Resistência Radial Cilíndrica | Dielétrico condutor em cabo coaxial de raios . | ||
| Resistência Radial Esférica | Casca esférica ou eletrodo esférico de aterramento. | ||
| Equação do Gerador Real | Tensão útil nos terminais de uma fonte real. | ||
| Máxima Transferência | Condição ótima de potência (rendimento ). | ||
| Leis de Kirchhoff | ; | / | Conservação de carga e energia em modelos concentrados. |
9. Próximos Passos & Navegação
- ⬅️ Aula Anterior: Aula 02 - Lei de Gauss, Superfícies Gaussianas, Potencial Eletrostático e Energia
- ➡️ Próxima Aula: Aula 04 - Magnetostática, Força Magnética de Lorentz, Lei de Biot-Savart e Lei de Ampère
- 📚 MOC Central: 01 Eletricidade e Magnetismo